谐振式差压传感器及其制备方法与流程

本发明涉及mems微传感器技术领域，尤其涉及一种谐振式差压传感器及其制备方法。

背景技术：

谐振式差压传感器是准数字输出，具有精度高、可靠性好、抗干扰能力强等优势，能获得更好的精度和稳定性，广泛应用于航空航天、工业控制、冶金电力、石油化工、医疗电子、汽车电子等各个领域。

谐振式差压传感器的结构中一般都有一个或多个谐振器，由于谐振器是可动部件，为了实现其低阻尼振动的工作环境，同时保护其免受外界灰尘，湿度，腐蚀等的破坏，谐振器往往需要被密封在真空环境之中。因此谐振式差压传感器如何将谐振器封装在真空腔内，同时保证真空腔的真空度显得至关重要。

除此外，谐振式差压传感器理想情况下应该只对差压敏感，对静压不敏感，因此设计差压传感器时应该选择合适的材料以及优化结构设计以减弱静压对差压测量结果的影响，提高差压灵敏度，降低静压灵敏度。

现有技术中提出了一种利用自对准选择性外延生长和选择性刻蚀技术制作的谐振式差压传感器，可以实现谐振器的真空封装，其差压灵敏度大，静压灵敏度小，但是工艺难度大，成品率低。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种谐振式差压传感器，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种谐振式差压传感器，包括：

传感器本体，顺次包括基底层、绝缘层和器件层，其中，在基底层的中央位置设置有第一压力敏感膜，在所述第一压力敏感膜四周设置有引线孔；绝缘层用于隔开基底层和器件层；在器件层上与所述第一压力敏感膜对应的位置处分别设置有第一谐振器和第二谐振器，在所述谐振器的四周设置有接线端子；

盖板，包括硅层和玻璃层，其中，在硅层上与所述第一压力敏感膜所对应的位置处形成第二压力敏感膜；在玻璃层上与第一谐振器和第二谐振器对应的位置处分别形成第一空腔和第二空腔，用于提供第一谐振器和第二谐振器的振动所需空间。

其中，所述盖板通过阳极键合真空封装方式密封盖合于所述传感器本体的器件层的上部。

其中，所述第一谐振器和第二谐振器的固有频率是相同的。

其中，在所述引线孔内或附近设置有金属薄膜焊盘，用于引出接线端子的电信号；

作为优选，所述玻璃层上还设置有吸气剂槽，用于溅射吸气剂以提高真空腔的真空度；

作为优选，所述吸气剂选用ti基吸气剂。

其中，所述谐振器结构采用双谐振器、单谐振器或多谐振器结构。

作为优选，谐振器通过绝缘层上的锚点和器件层上的第一压力敏感膜耦合在一起，通过盖板上的玻璃层和硅层上的第二压力敏感膜耦合在一起，用来感受两个压力敏感膜上的压力变化。

作为本发明的另一方面，提供了一种谐振式差压传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤a：在soi基底层上刻蚀形成引线孔和第一压力敏感膜；

步骤b：在soi器件层上刻蚀形成谐振器结构；

步骤c：在引线孔内制作金属薄膜焊盘以及释放谐振器；

步骤d：制作硅和玻璃盖板；

步骤e：利用阳极键合将所述盖板与所述soi真空键合，将谐振器密封在真空腔室内。

其中，所述步骤a包括以下子步骤：

子步骤al：在soi基底层上制作介质层薄膜，在此基础上涂覆光刻胶，利用光刻胶制作出第一压力敏感膜图形，去除第一压力敏感膜上的介质层薄膜；

子步骤a2：在子步骤al基础上涂覆光刻胶，利用光刻胶制作引线孔图形，去除引线孔上的介质层薄膜；

子步骤a3：将上述光刻胶作为掩膜，利用drie/icp刻蚀引线孔；

子步骤a4：去除光刻胶，利用上述图形化的介质层作为第二层掩膜，利用drie/icp刻蚀基底层，形成第一压力敏感膜；

作为优选，刻蚀压力膜能够用减薄工艺来代替，引线孔也能够采用湿法腐蚀工艺制作，所述氧化物介质层种类包括但不限于al2o3、zno、mgo或sio2。

其中，所述步骤b包括以下子步骤：

子步骤b1：在器件层上涂覆光刻胶，并通过光刻机对准光刻，形成谐振器图形；

子步骤b2：将光刻胶作为掩膜，利用drie/icp刻蚀至自停止层，形成谐振器。

其中，所述步骤c包括以下子步骤：

子步骤c1：去除soi表面的光刻胶，并利用浓h2so4清洗硅片，利用气态hf酸腐蚀引线孔内的氧化硅；

子步骤c2：在soi引线孔内溅射金属焊盘；

子步骤c3：利用气态hf酸腐蚀器件层暴露的氧化硅，直到谐振器释放，使其可侧向振动。

其中，所述步骤d包括以下子步骤：

子步骤d1：将硅和玻璃阳极键合在一起以制作盖板；

子步骤d2：通过cmp减薄玻璃以提高差压灵敏度；

子步骤d3：利用激光加工在玻璃上制作空腔和吸气剂槽；

子步骤d4：在硅上制作介质层薄膜，然后在此基础上涂覆光刻胶，利用光刻胶制作出第二压力敏感膜图形，去除第二压力敏感膜上的介质层薄膜；

子步骤d5：去除光刻胶，利用上述介质层薄膜做掩膜，drie/icp刻蚀盖板硅，形成第二压力敏感膜；

子步骤d6：去除硅上介质层薄膜，并利用硬掩膜技术，在吸气剂槽内溅射ti基吸气剂，形成盖板；

作为优选，盖板玻璃上的空腔和吸气剂槽的加工也能够用喷砂、hf酸腐蚀方式。

基于上述技术方案可知，本发明的谐振式差压传感器相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：

1、soi片的顶层硅和底层硅都是单晶硅，其厚度可以精确控制，且导电特性和机械性能优于多晶硅和非晶硅。利用soi的顶层硅制作谐振器结构，中间埋氧层作为牺牲层，采用湿法腐蚀牺牲层的方式来释放谐振器，利用so1基底层制作第一压力敏感膜。

2、由于单晶硅良好的机械性能，同时由于玻璃和硅可以通过阳极键合实现圆片级真空封装，故利用单晶硅和玻璃阳极键合技术制作第二压力敏感膜，玻璃可以保证soi器件层与单晶硅之间的绝缘隔离。

3、采用玻璃和硅二次阳极键合技术，实现了谐振器的圆片级真空封装，真空度高。同时在玻璃的四角制作吸气剂槽，用于溅射吸气剂，真空保持时间长，相比于现有技术中的利用自对准选择性外延生长和选择性刻蚀技术，工艺难度小。

4、谐振器四周和上方的空腔小以及减小玻璃的厚度，可以保证该差压传感器有小的静压灵敏度，大的差压灵敏度。

附图说明

图1为本发明实施例谐振式差压传感器的三维立体图；

图2为图1所示谐振式差压传感器背面的示意图；

图3为图1所示谐振式差压传感器盖板上吸气剂槽的示意图；

图4为图1所示谐振式差压传感器正面的示意图。

上图中，附图标记含义如下：

100-传感器本体；110-基底层；120-绝缘层；130-器件层；140-第一谐振器；150-第二谐振器；160-第一压力敏感膜；170-引线孔；161、162、163、164、165、166、167、168-接线端子；169-硅连接结构；200-盖板；210-玻璃层；211-空腔；212-吸气剂槽；220-硅层；221-第二压力敏感膜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

用于圆片级真空封装的技术主要包括：硅硅键合，硅玻璃阳极键合，金硅共晶键合，金属中间层键合，以及玻璃焊料键合等。其中硅玻璃阳极键合对表面平整度要求不太高，无需中间层且强度高，因此广泛用于压力传感器、加速度计、陀螺等的封装过程。

本发明正是基于这一点，采用玻璃和硅二次阳极键合技术，实现了谐振器的圆片级真空封装，真空度高。同时在玻璃的四角制作吸气剂槽，用于溅射吸气剂，真空保持时间长，相比现有技术中利用自对准选择性外延生长和选择性刻蚀技术，工艺难度小。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种谐振式差压传感器。请参照图1，本实施例谐振式差压传感器包括：传感器本体100，在该传感器本体100的底部形成第一压力敏感膜160，在该第一压力敏感膜160上形成有第一谐振器140和第二谐振器150，其中，第一谐振器140位于压力敏感膜的边缘位置，第二谐振器150位于压力敏感膜的中央位置，在该传感器本体100的基底层形成引线孔，用于引出谐振器的电极；盖板200，在盖板200的上方形成第二压力敏感膜221，在盖板200的下方中间部分形成空腔211用于谐振器运动，在盖板200的下方四角部分形成吸气剂槽212用于溅射吸气剂。谐振器140、150的锚点通过soi绝缘层120连接第一压力敏感膜160、通过玻璃210连接第二压力敏感膜221，可以同时感知两个压力敏感膜(160、221)的形变。盖板200，通过阳极键合真空封装方式密封盖合于传感器本体100的上部。

以下对本实施例谐振式差压传感器的各个组成部分进行详细说明。

请参照图1，传感器本体100由soi片经mems工艺制备而成。该soi片自上而下包括：基底层110、绝缘层120和器件层130。其中，基底层110和器件层130具有极低电阻率，可形成良好的电气连接，绝缘层120用于隔开上下两层，实现电气隔离。

在soi片的基底层110刻蚀一定的深度，形成第一压力敏感膜160。在第一压力敏感膜160的上部形成有固有频率相同的第一谐振器140和第二谐振器150。在第一压力敏感膜160四周刻蚀引线孔至绝缘层120以便后续引出电极。

盖板200由硅层220和玻璃层210经过阳极键合而成，硅层220在上方，玻璃层210在下方。在硅层220的上部刻蚀一定的深度，形成第二压力敏感膜221。在玻璃层210上加工空腔211用于谐振器(140、150)的振动，加工吸气剂槽212用于溅射吸气剂以提高真空腔的真空度。盖板200，通过阳极键合真空封装方式密封盖合于传感器本体100的上部。

图2为图1所示谐振式差压传感器背面的示意图。请参照图3，在soi片的基底层110刻蚀一定的深度，形成第一压力敏感膜160，用于感受压力p1。在八个接线端子(161、162、163、164、165、166、167、168)中心所对应的位置，刻穿soi片背面的基底层110，同时去除中间的绝缘层120，形成如图所示的引线孔170，并在该引线孔170内制作形成金属薄膜焊盘，从而可以通过压焊引线将八个接线端子(161、162、163、164、165、166、167、168)的电信号引出。

图3为图1所示谐振式差压传感器盖板200上吸气剂槽212的示意图。盖板200上的玻璃层210厚度应尽量小，以保证该差压传感器有较大的差压灵敏度以及小的静压灵敏度。盖板200上的玻璃层210与谐振器(140、150)所对应的位置上有空腔211，用于提供谐振器(140、150)振动所需空间。玻璃层210的四角有吸气剂槽212，用于溅射一层吸气剂，以维持空腔内的真空环境，其中，吸气剂槽212的大小、形状、位置等不限。盖板200与传感器本体100的外侧边缘通过阳极键合方式密封扣合，从而将两谐振器(140、150)封装在真空环境中。

图4为图1所示谐振式差压传感器正面的示意图。盖板200硅层220上与第一压力敏感膜160所对应的位置上刻蚀有第二压力敏感膜221，用于感受压力p2。

在本实施例中，谐振器(140、150)通过绝缘层120上的锚点和器件层上的第一压力敏感膜160耦合在一起，通过盖板200上的玻璃层210和硅层220上的第二压力敏感膜221耦合在一起，用来感受两个压力敏感膜(160、221)上的压力变化。

为了保证该差压传感器谐振器(140、150)所处环境的真空度，需要注意以下几点：①在玻璃层210上加工吸气剂槽212，并且在吸气剂槽212内溅射吸气剂。其尺寸应尽量大，且距离边缘有一定的距离，以保证后续键合的强度以及真空度；其深度应该贯穿至硅220表面，以避免吸气剂槽212底面大面积的玻璃210释放气体影响真空腔的真空度；②应保证盖板200玻璃层210和硅层220阳极键合以及盖板200和传感器本体100阳极键合强度。

为了保证该差压传感器有大的差压灵敏度，小的静压灵敏度，需要注意以下几点：①刻蚀谐振器(140、150)时只刻蚀谐振器(140、150)部分以及接线端子(161、162、163、164、165、166、167、168)四周必要的沟槽，其他区域不做刻蚀，留做硅岛，以使两谐振器(140、150)周围的空腔尽量小；②利用cmp减薄玻璃层210的厚度；③玻璃层210上用于谐振器(140、150)振动的空腔应尽量小，略大于谐振器(140、150)尺寸即可；④玻璃层210上吸气剂槽212的位置应避免在压力敏感膜(160、221)上下方，设计在四角。

至此，本实施例谐振式差压传感器的结构特征介绍完毕。

如图1所示谐振式差压传感器加工制作分四个步骤完成：其一，soi压敏芯片加工；其二，引线孔内金属焊盘的制作；其三，硅和玻璃盖板加工；其三，soi和盖板阳极键合真空封装。以下进行详细说明：

步骤a：在soi基底层上刻蚀形成引线孔和第一压力敏感膜。

由于引线孔和第一压力敏感膜具有不同的深度，因此本实施例采用金属氧化物等介质层和光刻胶制作复合深刻蚀掩膜。具体步骤如下：

子步骤al：在soi基底层上制作介质层薄膜，然后在此基础上甩胶，利用光刻胶制作出第一压力敏感膜图形，去除第一压力敏感膜上的介质层薄膜；

子步骤a2：在子步骤a1基础上甩胶，利用光刻胶制作引线孔图形(对准介质层薄膜第一压力敏感膜图形)，随后去除引线孔上的介质层薄膜；

子步骤a3：利用上述光刻胶掩膜，利用drie/icp刻蚀引线孔到一定深度；

子步骤a4：去除光刻胶，利用上述图形化的介质层作为第二层掩膜，利用drie/icp刻蚀基底层到一定的深度，形成第一压力敏感膜；

需要指出的是，第一次刻蚀引线孔的深度必须过量，否则当第一压力敏感膜刻蚀到既定深度后，引线孔可能仍未刻蚀到自停止层。

步骤b：在soi器件层上刻蚀形成谐振器等结构。

器件层谐振器的制作需要与背面压力敏感膜图形对准。其具体步骤包括：

子步骤b1：在器件层上甩胶，并通过光刻机对准光刻，形成谐振器图形；

子步骤b2：利用光刻胶作为掩膜材料，利用drie/icp刻蚀至自停止层，形成谐振器；

步骤c：在引线孔内制作金属焊盘以及谐振器释放

为了防止键合等工艺在引线孔内表面产生杂质，进而影响金属焊盘和硅的欧姆接触，故选择在键合之前制作金属焊盘。另外，为了防止制作金属焊盘对谐振器的影响，选择在制作金属焊盘后释放谐振器。其具体步骤包括：

子步骤c1：去除soi表面的光刻胶，并利用浓h2so4清洗硅片，利用气态hf酸腐蚀引线孔内的氧化硅；

子步骤c2：在soi引线孔内溅射金属焊盘；

子步骤c3：谐振器释放。利用气态hf酸腐蚀器件层暴露的氧化硅，直到谐振器释放，使其可侧向振动。需要指出的是，腐蚀过孔内的氧化硅应尽量减少腐蚀时间，避免大的侧钻；然而释放谐振器，腐蚀时间则应相应延长，侧钻量至少为谐振器宽度的一半，以保证谐振器可动。

步骤d：硅和玻璃盖板的制作。

该步骤d包括：

子步骤d1：将硅和玻璃阳极键合在一起以制作盖板；

子步骤d2：通过cmp减薄玻璃以提高差压灵敏度；

子步骤d3：利用激光加工在玻璃上制作空腔和吸气剂槽，需要指出的是，空腔和吸气剂槽的深度应该加工至硅表面，以避免底部玻璃释放气体影响真空腔的真空度；

子步骤d4：在硅上制作介质层薄膜，然后在此基础上甩胶，利用光刻胶制作出第二压力敏感膜图形(对准玻璃上空腔和吸气剂槽图形)，去除第二压力敏感膜上的介质层薄膜；

子步骤d5：去除光刻胶，利用上述介质层薄膜做掩膜，drie/icp刻蚀盖板硅到一定的深度，形成第二压力敏感膜；

子步骤d6：去除硅上介质层薄膜，并利用硬掩膜技术，在吸气剂槽内溅射ti基吸气剂，形成盖板。

步骤e：利用阳极键合将上述盖板与上述soi真空键合，将谐振器密封在真空腔室内。需要指出的是，由于盖板玻璃上预留的谐振器振动的空间有限，所以在盖板和soi键合时需要将玻璃上的空腔和谐振器对准。

至此，完成如图1所示谐振式差压传感器的制作。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明谐振式差压传感器及其制备方法有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

(1)盖板玻璃上的空腔和吸气剂槽的加工也可用喷砂、hf酸腐蚀等方式；

(2)玻璃空腔内的吸气剂可以采用钛基吸气剂或其他商用吸气剂；

(3)刻蚀压力膜可用减薄(cmp)工艺来代替；引线孔也可采用湿法腐蚀工艺制作，其中采用的氧化物介质层种类包括且不限于al2o3、zno、mgo、sio2等；

(4)谐振器除了采用双谐振器外，也可采用单谐振器或多谐振器结构；

(5)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。

综上所述，本发明提出一种新的谐振式差压传感器，在保证谐振器所处环境真空度的同时，提高差压灵敏度，减小静压灵敏度，且制作工艺简单，具有较好的推广应用价值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。